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JP6306510B2 - High temperature or fuel cell electrochemical system with improved thermal management - Google Patents

High temperature or fuel cell electrochemical system with improved thermal management Download PDF

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Description

本発明は、改善された熱管理を有する高温において動作する電解槽及び燃料電池スタックに関連する。   The present invention relates to electrolyzers and fuel cell stacks that operate at high temperatures with improved thermal management.

高温電解槽は、通常SOEC(固体酸化物電解セル)と称される。それらは、電気的及び熱的出力から化学的エネルギーへの電気化学的転換を達成する。“共電解”という用語は、蒸気及び二酸化炭素の混合物HO/COが電解槽に供給される動作を意味する。蒸気は、水素に変態し、二酸化炭素は、一酸化炭素に変態し、エネルギー担体として作用する。要求に応じて、その後、これらのH/COの可燃性ガスは、例えばSOFC(固体酸化物燃料電池)のスタックを用いて熱及び電気に転換され得る。 The high-temperature electrolytic cell is usually referred to as SOEC (solid oxide electrolysis cell). They achieve an electrochemical conversion from electrical and thermal output to chemical energy. The term “co-electrolysis” means an operation in which a mixture of steam and carbon dioxide, H 2 O / CO 2, is supplied to the electrolytic cell. Steam is transformed into hydrogen, and carbon dioxide is transformed into carbon monoxide, which acts as an energy carrier. Depending on requirements, these H 2 / CO flammable gases can then be converted to heat and electricity using, for example, a stack of SOFCs (solid oxide fuel cells).

SOEC電解槽及びSOFC燃料電池スタックは、同一の電気化学系の逆動作を表す。
これらの系が非常に電気的に効率的であることに留意すべきである。さらに、燃料の性質に関する大きな柔軟性は、SOFCモードにおいて可能である。スタックは、例えば、中性ガスが直接供給され得る。この場合、水素へのメタンの改質は、系のセル内で直接起こる。
The SOEC electrolytic cell and the SOFC fuel cell stack represent the reverse operation of the same electrochemical system.
It should be noted that these systems are very electrically efficient. Furthermore, great flexibility regarding the nature of the fuel is possible in the SOFC mode. The stack can for example be directly supplied with neutral gas. In this case, the reforming of methane to hydrogen occurs directly in the system cell.

対象となるSOEC電解槽及びSOFC燃料電池のスタックは、電気化学反応が起こる多数の平坦なセラミックセルのスタック、及び、一般的には各対のセラミックセルの間に介在される相互接続プレートによって形成される。セルは、その面の各々に、電極(アノード及びカソード)を構成するセラミック層を有し、そこで、所定のセルの2つの電極が、電解質として作用するセラミック膜によって絶縁され分離される。   The subject SOEC electrolyzer and SOFC fuel cell stack is formed by a stack of many flat ceramic cells in which an electrochemical reaction takes place, and generally an interconnect plate interposed between each pair of ceramic cells. Is done. The cell has on each of its faces a ceramic layer that constitutes the electrodes (anode and cathode), where the two electrodes of a given cell are insulated and separated by a ceramic membrane that acts as an electrolyte.

相互接続プレートは、セルの2つの電極の各々にガスを分配し、集電する。スタックにおいて、相互接続プレートは、互いに面して位置する2つの連続したセルの対向する電極に対して集電及び分配機能を行うために両側において構造化される。   The interconnect plate distributes gas to each of the two electrodes of the cell and collects current. In the stack, the interconnect plates are structured on both sides to perform current collection and distribution functions for opposing electrodes of two consecutive cells located facing each other.

1つのセル及びそれを囲う2つの相互接続プレートの間のアセンブリは、画定された基本ユニットを形成する。特に、基本ユニットは、カソード部分(化学種が還元される位置)及びアノード部分(酸化反応の位置)を含み、それらは、密閉され、電気的に絶縁された2つのボリュームである。   The assembly between one cell and the two interconnect plates surrounding it forms a defined basic unit. In particular, the basic unit comprises a cathode part (position where the chemical species are reduced) and an anode part (position for the oxidation reaction), which are two volumes that are sealed and electrically isolated.

熱伝達は、ガスによって、並びにスタックの端部及びその絶縁被覆の間の熱交換によって部分的に行われる。最も熱い考えられる基本ユニットが、交換表面が増加されることを可能にし、その系の熱管理を容易にするということが理解される。しかしながら、相互接続プレートは、電気化学コンバーターの小型化を向上させ、コストを低減するために、できるだけ薄く作られた、プレスされたプレートで通常作られる。従って、小容積を与える小型化のこの制約と大きな面積を要求する熱交換との間に妥協点を見出すことが重要であると思われる。   Heat transfer takes place in part by the gas and by heat exchange between the end of the stack and its insulating coating. It is understood that the hottest possible basic unit allows the exchange surface to be increased and facilitates thermal management of the system. However, interconnect plates are usually made of pressed plates made as thin as possible to improve the miniaturization of electrochemical converters and reduce costs. Therefore, it seems important to find a compromise between this limitation of miniaturization that gives a small volume and heat exchange that requires a large area.

定常動作に関して、SOFCスタックの熱管理は、カソードに送られる空気の流速を調整することによって部分的に存在する。さらに、メタンを水素に変態する化学的な反応の吸熱が、水素の電気化学的酸化によって引き起こされる熱放出を平衡させる傾向があるので、内部改質は、スタックの熱管理を容易にする。しかしながら、系がスイッチオン/オフする際に過渡負荷中に又は相内に、温度勾配が現れ、スタックに機械的な損傷をもたらし得る。   With respect to steady state operation, thermal management of the SOFC stack exists in part by adjusting the flow rate of air sent to the cathode. Further, internal reforming facilitates thermal management of the stack, since the endotherm of the chemical reaction that transforms methane to hydrogen tends to balance the heat release caused by the electrochemical oxidation of hydrogen. However, during a transient load or within a phase when the system is switched on / off, a temperature gradient can appear and cause mechanical damage to the stack.

SOECの熱管理に関して、動作電圧に依存して、動作する逆バッテリ保護によって放出される熱は、蒸気の電解によって吸収される熱未満であったり、等しかったり、それを超えるものであり得ることが示されている。高い蒸気変化速度の場合、電解槽の温度は、系の長期間動作を受け入れ不能なレベルまで非常に急速に変化する。実際、発熱モードで動作する際に、生成される水素は、ほとんど熱を含まない。従って、電解槽によって放出される水素の流れは、大きな熱量を排出することができない。吸熱動作の場合、最適な動作のためにスタックに熱を提供することが難しいことが証明され得ることを言及しなければならない。   With regard to SOEC thermal management, depending on the operating voltage, the heat released by the operating reverse battery protection may be less than, equal to or greater than the heat absorbed by the steam electrolysis. It is shown. For high steam change rates, the temperature of the electrolyzer changes very rapidly to a level that is unacceptable for long term operation of the system. In fact, when operating in the exothermic mode, the hydrogen produced will contain little heat. Therefore, the flow of hydrogen released by the electrolytic cell cannot discharge a large amount of heat. It should be mentioned that in the case of endothermic operation it can prove difficult to provide heat to the stack for optimal operation.

結果的に、本発明の一目的は、定常制御又は過渡運転であるかを問わず、系の熱管理に関して高い柔軟性を与える、改善された熱管理を有する高温電解槽又は燃料電池などの電気化学系を提供することである。   As a result, an object of the present invention is to provide an electrical appliance such as a high temperature electrolyzer or fuel cell with improved thermal management that provides high flexibility with respect to thermal management of the system, whether steady state control or transient operation. To provide a chemical system.

上記の目的は、セラミックセル及び相互接続部材によって形成される基本ユニットのスタックにおいて、スタック及び例えば熱運動化される被覆の間に放射表面を提供する、相互接続部材の表面よりかなり大きい、放射による熱伝達のための表面を有するプレートの挿入によって達成される。   The above objective is in a stack of basic units formed by ceramic cells and interconnect members, by radiation, which is significantly larger than the surface of the interconnect members, providing a radiating surface between the stack and, for example, a thermally kinetic coating. This is achieved by inserting a plate having a surface for heat transfer.

このかなり大きな放射表面は、1つ又は複数の放射プレートの側方表面の構造化によって得られる。これらのプレートは、好ましくは周期的にスタックに分布される。それらは、特定の相互接続部材がセルのガス供給部を提供するように製造される場合、特定の相互接続部材の置換物として位置し得、又は相互接続部材に隣接して位置し得る。   This fairly large radiating surface is obtained by structuring the lateral surface of one or more radiating plates. These plates are preferably distributed in the stack periodically. They can be located as replacements for a particular interconnect member, or can be located adjacent to an interconnect member, when the particular interconnect member is manufactured to provide a gas supply for a cell.

“構造化”という用語は、プレートの熱交換表面を増加するようにプレートの表面に起伏を生成することを意味するものと理解され、その起伏は、例えばフィンを形成するリブの形態である。さらに、本願における“熱伝達”という用語は、スタックからの熱の外部への伝達を意味すると理解されるが、吸熱動作モードにおいて、スタックに外部から熱を伝達することをも意味する。   The term “structured” is understood to mean creating undulations on the surface of the plate so as to increase the heat exchange surface of the plate, which undulations are in the form of ribs forming eg fins. Further, the term “heat transfer” in this application is understood to mean the transfer of heat from the stack to the outside, but also means to transfer heat from the outside to the stack in the endothermic mode of operation.

本発明によると、放射された流れがTに比例するので、放射された流れによる放射熱交換は、その温度より非常に高い。従って、この熱伝達モードは、周囲温度で低く、SOECタイプ又はSOFCタイプの電解槽の動作温度において支配的になってくる。特に、それは、SOECタイプの電解槽及びSOFCスタックに非常に相応しい。 According to the present invention, since the emitted flow is proportional to T 4, the radiant heat exchange by the emitted flow, much higher than that temperature. Therefore, this heat transfer mode is low at ambient temperature and becomes dominant at the operating temperature of the SOEC type or SOFC type electrolytic cell. In particular, it is very suitable for SOEC type electrolysers and SOFC stacks.

特に、有利な実施形態においては、放射プレートは、スタックから突出する側方頭部を含む;次いで、側方表面に加えて、スタックの軸に垂直な頭部の表面は構造化され得る。   In particular, in an advantageous embodiment, the radiating plate comprises a lateral head projecting from the stack; then, in addition to the lateral surface, the surface of the head perpendicular to the axis of the stack can be structured.

これらのプレートは、好ましくは相互接続部材より厚く、より大きな放射側方交換表面さえ提供する。   These plates are preferably thicker than the interconnect members and provide even larger radial lateral exchange surfaces.

スタックは、放射による伝達を効率的に引き起こすプレートによって囲われて分離されるセルのサブユニットに分割される。これらのプレートは、放射機能による伝達の原因となる。従来技術の電解槽及びセルスタックにおいて、放射による伝達は、相互接続部材の端部で起こり、これらは非常に薄い。   The stack is divided into subunits of cells that are surrounded and separated by plates that effectively cause transmission by radiation. These plates are responsible for transmission by radiation function. In prior art electrolysers and cell stacks, transmission by radiation occurs at the end of the interconnect member, which is very thin.

これらのプレートは、スタックの熱管理において特に効率的であり、放射による熱移動が、熱伝達の支配的な方法であり、燃料電池及び電解槽のセルのスタックにおける最も効率的な方法である。   These plates are particularly efficient in stack thermal management, where heat transfer by radiation is the dominant method of heat transfer and is the most efficient method in stacks of fuel cells and electrolyzer cells.

さらに、それらは、例えば可逆性、過渡運転、注入ガスの多様性などの点で、より大きな柔軟性が要求される系の特に相応しい熱管理を可能にする。   Furthermore, they enable particularly suitable thermal management of systems that require greater flexibility, for example in terms of reversibility, transient operation, injection gas diversity.

本発明の主目的は、交互のセラミックセル及び相互接続部材を有する長手方向の軸のスタック、並びに前記スタックに含まれる熱管理手段を含む電気化学系であって、前記熱管理手段が、前記スタックの外側との間で放射によって熱交換が行われる表面を有する少なくとも1つの側方端部を有する、“放射プレート”と称される、前記スタックに位置する少なくとも1つのプレートを含み、前記表面が少なくとも部分的に構造化されることを特徴とする電気化学系である。   A main object of the present invention is an electrochemical system comprising a stack of longitudinal shafts having alternating ceramic cells and interconnect members, and thermal management means included in the stack, wherein the thermal management means comprises the stack Comprising at least one plate located in the stack, referred to as a “radiating plate”, having at least one lateral end having a surface in which heat exchange is performed by radiation with the outside of the surface, An electrochemical system characterized in that it is at least partially structured.

前記放射プレートは、前記相互接続部材より厚く、前記相互接続部材は、0.1mmから15mmの厚さであり得、少なくとも1つの放射プレートは、5mmから50mmの厚さである。   The radiating plate is thicker than the interconnect member, the interconnect member may be 0.1 mm to 15 mm thick, and at least one radiating plate is 5 mm to 50 mm thick.

特に有利な実施形態において、前記放射プレートは、前記セルの横断面及び前記相互接続部材の横断面より大きな横断面を有し、それは、前記スタックから突出する周辺頭部を有するようになり、前記頭部は、その表面が少なくとも部分的に構造化される側方端部を有する。   In a particularly advantageous embodiment, the radiating plate has a cross section that is larger than the cross section of the cells and the cross section of the interconnection member, which has a peripheral head protruding from the stack, The head has a lateral end whose surface is at least partially structured.

前記頭部は、2つの長手方向の面を有し、その少なくとも1つが部分的に構造化される。   The head has two longitudinal faces, at least one of which is partially structured.

前記側方端部の表面及び/又は少なくとも1つの長手方向の面は、有利には、1に近い放射率を有する材料、例えばPrNiO4+δで被覆される。 The surface of the lateral end and / or at least one longitudinal surface is advantageously coated with a material having an emissivity close to 1, for example Pr 2 NiO 4 + δ .

前記電気化学系は、前記スタック全体にわたって分布される幾つかの放射プレートを含み得る。前記放射プレートは、前記スタックに周期的に分布され、例えば4から12の基本ユニット毎に分布され、基本ユニットが、セラミックセル及び2つの相互接続部材に形成される。有利な特徴によれば、前記スタックに周期的に分布される前記1つの又は複数の放射プレートは、それらが分離する基本ユニットのアセンブリの端部に位置する相互接続部材に取って代わる。   The electrochemical system can include a number of radiating plates distributed throughout the stack. The radiating plate is periodically distributed in the stack, for example distributed every 4 to 12 basic units, the basic units being formed in a ceramic cell and two interconnect members. According to an advantageous feature, the one or more radiating plates distributed periodically in the stack replace the interconnection members located at the end of the basic unit assembly from which they separate.

前記電気化学系は、前記セラミックセルに電解ガスを供給する回路を含むことができる。   The electrochemical system may include a circuit that supplies an electrolytic gas to the ceramic cell.

前記放射プレートはまた、対流による熱伝達のための手段を含むことができる。前記対流による熱伝達のための手段は、前記放射プレートに形成され、流体が流れる前記プレートの平面にほぼ延長する流路によって形成され得る。前記流体は、前記電気化学系の電気分解反応で使用される流体と異なる流体であるか、前記電気化学系の電気分解反応の少なくとも1つで使用される電解ガスであり得、前記系は、前記流路を電解ガス供給回路に接続する手段を含む。   The radiating plate can also include means for heat transfer by convection. The means for heat transfer by convection may be formed by a flow path formed in the radiating plate and extending substantially in the plane of the plate through which fluid flows. The fluid may be a fluid different from a fluid used in the electrochemical-based electrolysis reaction or an electrolytic gas used in at least one of the electrochemical-based electrolysis reactions, Means for connecting the flow path to an electrolytic gas supply circuit;

本発明による電気化学系は、流路が水蒸気改質触媒で被覆され、流体が中性ガスである、中性ガス中で改質することによって動作する燃料電池であり得る。   The electrochemical system according to the present invention can be a fuel cell that operates by reforming in neutral gas, where the flow path is coated with a steam reforming catalyst and the fluid is a neutral gas.

前記放射プレートは、対流による熱伝達のための手段を含み得る。   The radiating plate may include means for heat transfer by convection.

前記放射プレートは、系の所望の動作温度で相変化する材料を含み得る。前記相変化愛量は、例えばキャビティに配置される。   The radiating plate may include a material that changes phase at the desired operating temperature of the system. The amount of phase change love is arranged, for example, in a cavity.

前記相変化座試料は、800℃に近い固相線温度及び850℃に近い液相温度を有する共晶材料であり得る。   The phase change locus sample may be a eutectic material having a solidus temperature close to 800 ° C and a liquidus temperature close to 850 ° C.

あるいは、前記相変化材料は、溶融塩、例えばNaClであり得る。   Alternatively, the phase change material can be a molten salt, such as NaCl.

有利な例において、少なくとも2つの放射プレートは、前記2つの放射プレート間に位置するセルを電気的に絶縁することができる電気接続部を有する。   In an advantageous example, the at least two radiation plates have electrical connections that can electrically insulate cells located between the two radiation plates.

本発明による電気化学系は、例えば水素を生成するための高温電解槽であり得る。   The electrochemical system according to the present invention can be, for example, a high-temperature electrolytic cell for producing hydrogen.

本発明による電気化学系は、消費される水素が中性ガスの素蒸気改質によって生成され得る燃料電池であり得る。   The electrochemical system according to the present invention can be a fuel cell in which consumed hydrogen can be produced by steam reforming of neutral gas.

図1Aは、熱管理プレートの第1の実施形態の上面斜視図である。FIG. 1A is a top perspective view of a first embodiment of a thermal management plate. 図1Bは、図1Aの放射プレートの側方端部の詳細図である。FIG. 1B is a detailed view of a side end of the radiation plate of FIG. 1A. 図1Cは、図1Aの熱管理プレートを含むスタックの実施形態の前面図である。FIG. 1C is a front view of an embodiment of a stack including the thermal management plate of FIG. 1A. 図2Aは、熱管理プレートの第1の実施形態の変形実施形態の側面斜視図である。FIG. 2A is a side perspective view of a modified embodiment of the first embodiment of the thermal management plate. 図2Bは、図2Aの放射プレートのA−A面に沿う断面図である。2B is a cross-sectional view taken along the plane AA of the radiation plate of FIG. 2A. 図2Cは、図2Aの熱管理プレートを含むスタックの実施形態の前面図である。FIG. 2C is a front view of an embodiment of a stack including the thermal management plate of FIG. 2A. 図3Aは、導電タイプの伝達を含む第2の実施形態による2つの熱管理プレートの上面斜視図である。FIG. 3A is a top perspective view of two thermal management plates according to a second embodiment including conduction type transmission. 図3Bは、B−B面に沿う図3Aの上部プレートの断面図である。3B is a cross-sectional view of the upper plate of FIG. 3A along the BB plane. 図4Aは、第2の実施形態の変形例による2つの熱管理プレートの上面斜視図である。FIG. 4A is a top perspective view of two heat management plates according to a modification of the second embodiment. 図4Bは、図4Aの裏面に位置する側方端部から見られる、C−C面に沿う図4Aの上部プレートの断面図である。4B is a cross-sectional view of the upper plate of FIG. 4A along the CC plane, as seen from the side edge located on the back side of FIG. 4A. 図5は、第2の実施形態の他の変形例による熱管理プレートを含む本発明による高温電解槽のスタックの一部の上面斜視図である。FIG. 5 is a top perspective view of a part of a stack of a high-temperature electrolytic cell according to the present invention including a heat management plate according to another modification of the second embodiment. 図6Aは、第2の実施形態の他の変形例による熱管理プレートの上面斜視図である。FIG. 6A is a top perspective view of a heat management plate according to another modification of the second embodiment. 図6Bは、D−D面に沿う図6Aのプレートの断面図である。6B is a cross-sectional view of the plate of FIG. 6A along the DD plane. 図7Aは、相変化材料を用いた第3の実施形態による熱管理プレートの上面斜視図である。FIG. 7A is a top perspective view of a thermal management plate according to a third embodiment using a phase change material. 図7Bは、E−E面に沿う図7Aのプレートの断面図である。FIG. 7B is a cross-sectional view of the plate of FIG. 7A along the EE plane. 図8Aは、変形実施形態による熱管理プレートを含むスタックの斜視図である。FIG. 8A is a perspective view of a stack including a thermal management plate according to an alternative embodiment. 図8Bは、F−F面に沿う図8Aのスタックの断面図である。8B is a cross-sectional view of the stack of FIG. 8A along the FF plane. 図9Aは、変形実施形態による熱管理プレートを含むスタックの斜視図である。FIG. 9A is a perspective view of a stack including a thermal management plate according to an alternative embodiment. 図9Bは、変形実施形態による熱管理プレートを含むスタックの斜視図である。FIG. 9B is a perspective view of a stack including a thermal management plate according to an alternative embodiment.

本発明は、以下に続く詳細な説明及び添付図面を用いて詳細に理解される。   The present invention will be understood in detail with reference to the detailed description that follows and the accompanying drawings.

図1Cにおいて、高温電解槽又は燃料電池などの電気化学系に対する本発明によるスタックの実施形態が見られる。   In FIG. 1C, an embodiment of a stack according to the invention for an electrochemical system such as a high temperature electrolyzer or a fuel cell can be seen.

スタックは、長軸Xに沿って延び、相互接続プレート4又は相互接続部材によって分離されるセラミックセル2を含む。アセンブリAは、1つのセル2とそれを囲う2つの相互接続プレート4とで形成され、基本ユニットを形成する。これらのセルは、電解質(典型的には、イットリアがドープされたジルコニア、又は、2つの電極で囲われたイットリア安定化ジルコニア(YSZ)で製造され、電極の一方は、ペロブスカイト構造材料(ランタンストロンチウムマンガナイト(LSM)で作られ、電極の他方は、セラミック−金属複合材(YSZ及びニッケルの混合物(Ni−YSZ))で作られる)を含み、例えば多層型のセラミック構造体であり得る。相互接続部材は、典型的にはCrofer(登録商標)22APU合金で作られ、それは、Haynes230(登録商標)であるフェライト鋼であり、又はニッケルベースの合金である。   The stack includes ceramic cells 2 extending along the long axis X and separated by interconnect plates 4 or interconnect members. The assembly A is formed by one cell 2 and two interconnect plates 4 surrounding it, forming a basic unit. These cells are made of an electrolyte (typically yttria-doped zirconia, or yttria stabilized zirconia (YSZ) surrounded by two electrodes), one of which is a perovskite structural material (lanthanum strontium). Made of manganite (LSM), the other of the electrodes comprises a ceramic-metal composite (made of a mixture of YSZ and nickel (Ni-YSZ)), and can be, for example, a multilayer ceramic structure. The connecting member is typically made of Crofer® 22 APU alloy, which is a ferritic steel that is Haynes 230®, or a nickel-based alloy.

一例として、Crofer(登録商標)22APU及びHaynes230(登録商標)の組成を以下の表に記載する。   As an example, the composition of Crofer® 22 APU and Haynes 230® is listed in the table below.

Figure 0006306510
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スタックはまた、追加のプレートを通常含む。プレート6は、導電材料、好ましくは金属で作られ、例えばCrofer22APU(登録商標)フェライト鋼、又はF18TNbなどで作られる。これらのプレート6は、電気化学系が動作した際に発生する熱の放射による熱移動によって電気化学系の熱管理を与える。プレート6は、以下では“放射プレート”と称する。   The stack also usually includes additional plates. The plate 6 is made of a conductive material, preferably a metal, such as Crofer 22 APU® ferritic steel or F18TNb. These plates 6 provide thermal management of the electrochemical system by heat transfer by radiation of heat generated when the electrochemical system is operated. The plate 6 is hereinafter referred to as “radiating plate”.

プレート6は、好ましくは周期的にスタックに分布される。例えば、2つの放射プレートは、4から12の基本ユニットによって分けられる。2つの放射プレート6を分離する基本ユニットの数は、積層方向、すなわち電流方向における温度勾配を制限するように選択される。   The plates 6 are preferably distributed in the stack periodically. For example, the two radiating plates are separated by 4 to 12 basic units. The number of basic units separating the two radiating plates 6 is selected to limit the temperature gradient in the stacking direction, ie the current direction.

本発明によるスタックは、セラミックセル及び相互接続部材からなる基本要素並びに放射プレートを含む:以下に示すように、放射プレートはまた、相互接続部材として機能し得る;しかし、それらは、それらの一部にとって代わる。   The stack according to the invention comprises basic elements consisting of ceramic cells and interconnecting members and a radiating plate: As shown below, the radiating plate can also function as an interconnecting member; however, they are part of them. To replace.

例示的なプレート6が図1Aに示され、その詳細図が図1Bに示される。   An exemplary plate 6 is shown in FIG. 1A and a detailed view thereof is shown in FIG. 1B.

示された例において、放射プレート6は正方形の形状であり、そのため交換及び熱移動表面をなす4つの側方端部8を有する。   In the example shown, the radiating plate 6 has a square shape and thus has four lateral ends 8 that form an exchange and heat transfer surface.

プレート6は、相互接続部材の表面より大きい、放射による熱移動のための表面を有する。プレート6は、放射表面を増加させるように少なくとも部分的に構成された側方端部8を有する。図2Aにおいて、このような構造を有するこのようなプレート6の例が見られ得る。図1Bにおいて、図1Aのプレートの側方端部8の拡大図が見られ得る。この例において、端部8は、放射プレートの長手方向の面に平行なリブ9を有し、そのリブは、V形状の断面を有する。リブの位置合わせは、制限的ではない。特に、プレートの長手方向の面に垂直に又は斜めに延びるリブの場合が、本発明の範囲の範囲を逸脱するものではない。さらに、構造ユニットは、如何なる種類のものでもあり得、端部によって異なり得る。   The plate 6 has a surface for heat transfer by radiation that is larger than the surface of the interconnection member. The plate 6 has a lateral end 8 that is at least partially configured to increase the radiating surface. In FIG. 2A, an example of such a plate 6 having such a structure can be seen. In FIG. 1B, an enlarged view of the side edge 8 of the plate of FIG. 1A can be seen. In this example, the end 8 has a rib 9 parallel to the longitudinal surface of the radiation plate, which rib has a V-shaped cross section. Rib alignment is not limiting. In particular, ribs extending perpendicularly or obliquely to the longitudinal plane of the plate do not depart from the scope of the present invention. Furthermore, the structural unit can be of any kind and can vary from end to end.

プレートの側方端部は、スタックの側方端部と同一垂直平面にあり得、リブの頂部は、これらの垂直平面に位置する。変形例として、側方端部の構造は突出しており、リブの頂部は、スタックの端部の垂直平面から突出している。   The lateral edges of the plate can be in the same vertical plane as the lateral edges of the stack, and the tops of the ribs lie in these vertical planes. As a variant, the structure of the side ends protrudes and the top of the rib protrudes from the vertical plane of the end of the stack.

放射プレートは、好ましくは、相互接続部材の寸法以上の厚さ、すなわち長手方向軸Xに沿う寸法を有する。それらは、相互接続部材の側方表面より大きいその側方表面の構造に対して熱交換表面を有する。   The radiating plate preferably has a thickness that is greater than or equal to the dimension of the interconnect member, ie, a dimension along the longitudinal axis X. They have a heat exchange surface for the structure of their lateral surface that is larger than the lateral surface of the interconnect member.

以下に相互接続プレート及び放射プレートの有利な厚さの値を与える。   The following gives advantageous thickness values for the interconnect and radiating plates.

“薄い”相互接続プレート、例えばプレスされたプレートで製造されるものの場合、このプレートは、0.1mmから1mmの厚さであり得、放射プレートは、有利には10mmから50mmの厚さであり、好ましくは40mmの厚さである。   In the case of “thin” interconnect plates, such as those manufactured with pressed plates, this plate can be 0.1 mm to 1 mm thick, and the radiating plate is preferably 10 mm to 50 mm thick The thickness is preferably 40 mm.

“厚い相互接続プレート”の場合、それは、5mmから10mmの厚さであり得、放射プレートは、有利には5mmから20mmの厚さであり、好ましくは10mmの厚さである。   In the case of a “thick interconnect plate”, it can be 5 mm to 10 mm thick and the radiating plate is advantageously 5 mm to 20 mm thick, preferably 10 mm thick.

図1Aのプレート6は、相互接続部材4及びセル2と略等しい表面を有し、すなわちその端部は、相互接続部材及びセルの表面におおよそ位置合わせされる。   The plate 6 of FIG. 1A has a surface that is substantially equal to the interconnect member 4 and the cell 2, ie, its ends are approximately aligned with the surfaces of the interconnect member and the cell.

示された例において、放射プレート6は、基本ユニットの連続するスタックの端部に位置する相互接続部材にとって代わることができる;放射プレートの長手方向の面10の1つは、燃焼ガス及び酸化ガスをセルに供給するための流路を有する。この配置は、スタックを単純化することができ、また電気抵抗及びシーリングの問題を低減することができる。   In the example shown, the radiating plate 6 can replace an interconnect member located at the end of a continuous stack of basic units; one of the longitudinal faces 10 of the radiating plate is a combustion gas and an oxidizing gas Has a flow path for supplying to the cell. This arrangement can simplify the stack and reduce electrical resistance and sealing problems.

あるいは、プレート6は、セル2及び相互接続部材の間に位置することができ、穴あけは、スタックを通して流体接続を形成するために行われ得る。   Alternatively, the plate 6 can be located between the cell 2 and the interconnect member, and drilling can be done to form a fluid connection through the stack.

図2A及び図2Bにおいて、プレート6がその側方端部8及びその長手方向の面10の外周に構造化を有する、本発明による放射プレート106の特に有利な変形実施形態が見られ得る。   2A and 2B, a particularly advantageous variant embodiment of the radiating plate 106 according to the invention can be seen, in which the plate 6 has a structure on the outer periphery of its lateral end 8 and its longitudinal surface 10.

プレート106は、セル及び相互接続部材の横断面より大きな横断面を有し、それは、スタックの中央の側方表面から突出する外周の頭部111を有するようになっている。図2Cにおいて、プレート106を含むスタックが見られ得る;放射プレート106の突出する頭部111は、熱交換フィンをなす。   Plate 106 has a cross-section that is larger than the cross-section of the cells and interconnect members, which has an outer circumferential head 111 that projects from the central lateral surface of the stack. In FIG. 2C, a stack including the plate 106 can be seen; the protruding head 111 of the radiating plate 106 forms a heat exchange fin.

頭部111の長手方向の面は、プレート6と同様の方式でその側方端部108の構造を有し、有利にはその長手方向の外側端部112の構造113を有する。図2Bに見られるように、断面において見られるこの構造113は、鋸の歯の形状を有する。歯の最大面113.1は、有利にはスタックの外側に面し、側方表面は外側に面し、熱は、主に外側に放出する。   The longitudinal surface of the head 111 has the structure of its lateral ends 108 in the same manner as the plate 6, and advantageously has the structure 113 of its longitudinal outer end 112. As seen in FIG. 2B, this structure 113 seen in cross section has the shape of a saw tooth. The tooth maximum surface 113.1 preferably faces the outside of the stack, the side surfaces face the outside and the heat is mainly released to the outside.

あるいは、長手方向の面のみが構造を有し、側方端部が平滑であるか、逆に、側方端部のみが構造化され、長手方向の面が平滑であることが決定され得る。側方端部及び/又は長手方向の面の部分的な構造化がまた考えられ得る。   Alternatively, it can be determined that only the longitudinal surface has a structure and the side edges are smooth, or conversely, only the side edges are structured and the longitudinal surface is smooth. Partial structuring of the side edges and / or longitudinal faces can also be envisaged.

さらに、プレート、より一般的にはスタックの要素の正方形状は、限定的ではなく、例えば円板形状が、本発明の範囲を逸脱するものではない。   Further, the square shape of the plate, more generally the elements of the stack, is not limiting, for example, the disc shape does not depart from the scope of the present invention.

一例として、プレートの寸法を記載する。   As an example, the dimensions of the plate are described.

77.44cmの活性表面、5つのセル毎に位置する放射プレート、1mmの厚さの相互接続部材、ガス注入温度、及び800℃においてスタックを囲う被覆の熱化を有するセルに1.5ボルトの印加電圧を加える仮定で、構造化された放熱プレート6は、44mmの厚さを有する。10mmの厚さである相互接続部材の場合、構造化された放射プレートは、11mmの厚さである。 1.5 volts for a cell with an active surface of 77.44 cm 2 , a radiating plate located every five cells, a 1 mm thick interconnect member, a gas injection temperature, and a thermalization of the coating surrounding the stack at 800 ° C. Assuming that the applied voltage is applied, the structured heat radiating plate 6 has a thickness of 44 mm. For an interconnect member that is 10 mm thick, the structured radiating plate is 11 mm thick.

放射プレートの厚さは、それらの側方端部の構造化の程度に依存し、場合によっては長手方向の面の構造化の程度に依存する。   The thickness of the radiating plates depends on the degree of structuring of their lateral ends and in some cases on the degree of structuring of the longitudinal surfaces.

放射プレートの側方端部及び/又は外側端部は、1に近い放射率を有する材料で有利にコーティングされ得る。例えば、コーティングは、パイロゾル法によって得られるPrNiO4+δであり得る。 The lateral and / or outer edges of the radiating plate can be advantageously coated with a material having an emissivity close to unity. For example, the coating can be Pr 2 NiO 4 + δ obtained by the pyrosol method.

スタックの外側の環境、例えばスタックを囲う被覆の温度を制御することによってスタックを冷却するためのこの手段によって、放射損失を増加することも考えられる。これらの状況において、電解槽又は燃料電池の温度の直接的な制御を得ることができる。同様に、吸熱モードにおいて、放射形態の熱の移動は、外部被覆の温度を製造することによって容易にされる。   It is also conceivable to increase radiation loss by this means for cooling the stack by controlling the environment outside the stack, for example the temperature of the coating surrounding the stack. In these situations, direct control of the electrolyzer or fuel cell temperature can be obtained. Similarly, in endothermic mode, the transfer of heat in radiant form is facilitated by producing the temperature of the outer coating.

例において、中央の平面側方端部は、スタックの長手方向の軸Xに略平行である;しかしながら、これらの平面は、長手方向の軸に対して傾斜し得る。   In the example, the central planar side edge is generally parallel to the longitudinal axis X of the stack; however, these planes can be inclined with respect to the longitudinal axis.

変形例として、放射プレートの中央部より厚い外部側方頭部を形成することを決めることができ、この手段によって放射損失を増加する;この厚くされた頭部はまた、構造化され得る。   As a variant, it can be decided to form an outer lateral head that is thicker than the central part of the radiating plate, which increases the radiation loss by this means; this thickened head can also be structured.

図8A及び図8Bに放射プレート506の変形実施形態が見られる。この変形例において、放射プレートは、突出した周囲の頭部511を含む、その側方端部508は、起伏509を有している。示された例において、これらの起伏509は、スタックの軸に平行な軸を有する。放射表面は、この手段によって増加される。   An alternative embodiment of the radiation plate 506 can be seen in FIGS. 8A and 8B. In this variation, the radiating plate includes a protruding peripheral head 511, whose lateral ends 508 have undulations 509. In the example shown, these undulations 509 have an axis parallel to the axis of the stack. The radiating surface is increased by this means.

図9A及び図9Bに放射プレート606の他の変形実施形態が見られ、それらは、周囲の頭部611が、スタック内に位置する放射プレートの部分の横断面より厚いという点が図8A及び図8Bの放射プレートと異なる。図9Bに見られるように、放射プレートの周囲の頭部611は、おおよそT型の形状を有する。側方端部608はまた、起伏609を有する。放射表面はさらに増加される。増加した放射表面を生成する他の形状が考えられ、例えば、L型の形状である。   9A and 9B are other alternative embodiments of the radiating plate 606, which are that the surrounding head 611 is thicker than the cross-section of the portion of the radiating plate located in the stack. Different from 8B radiation plate. As can be seen in FIG. 9B, the head 611 around the radiating plate has an approximately T-shaped shape. The side end 608 also has undulations 609. The radiating surface is further increased. Other shapes that generate increased radiating surfaces are conceivable, for example L-shaped shapes.

図3A及び図3Bにおいて、本発明による放射プレートの第2の実施形態が見られ、それは、放射伝達による冷却に加えて、対流による冷却を含む。逆に、吸熱モードにおいて、対流によるこれらの変化は、熱がスタックに移動することを可能にする。   3A and 3B, a second embodiment of a radiating plate according to the invention can be seen, which includes cooling by convection in addition to cooling by radiative transfer. Conversely, in endothermic mode, these changes due to convection allow heat to transfer to the stack.

図3A及び図3Bにおいて示されるプレート206はまた、相互接続部材を形成するためのものである。図3Aにおいて、セル及び相互接続部材は省略されている。   The plate 206 shown in FIGS. 3A and 3B is also for forming an interconnect member. In FIG. 3A, cells and interconnect members are omitted.

図3Bにおいて、プレート206の断面C−Cによる断面図が見られ得る。プレート6及び106のような放射プレート206は、放射伝達による冷却を提供するために、その側方端部208の少なくとも一部の構造、及び熱伝達流体がその中に流れることをもたらす手段を有し、対流による熱排出を引き起こす。示された例において、流動誘導手段は、互いに平行である、2つの平行なプレート206の端部208の間に延びる流路216によって形成される。流路216は、第1の端部において、供給コネクタ218に接続され、第2の端部において排出コネクタ220に接続される。この実施形態において、流路216は、平行に提供され、全てのプレート206は、全てのプレート206を供給するコネクタ218に接続されるチューブ222によって平行に供給され、全てのプレート206を退避させるためのコネクタ220に接続されるチューブ224を介して平行に退避される。熱伝達流路は、如何なる様式で配置することもできる。   In FIG. 3B, a cross-sectional view of the plate 206 through section CC can be seen. A radiating plate 206, such as plates 6 and 106, has at least a portion of its lateral end 208 structure to provide cooling by radiative transfer and means to provide heat transfer fluid to flow therein. And cause heat exhaustion by convection. In the example shown, the flow inducing means is formed by a channel 216 extending between the ends 208 of two parallel plates 206 that are parallel to each other. The flow path 216 is connected to the supply connector 218 at the first end, and is connected to the discharge connector 220 at the second end. In this embodiment, the channels 216 are provided in parallel and all plates 206 are fed in parallel by a tube 222 connected to a connector 218 that feeds all the plates 206 to retract all the plates 206. They are retracted in parallel via a tube 224 connected to the connector 220. The heat transfer channel can be arranged in any manner.

この例において、熱伝達流体は、セルスタック又は電解槽が動作中に電解で使用されるものと異なるガスである。このガスは、例えば、生成されたあらゆる過剰な熱を回収する放射プレート206に流れる中性ガスである。   In this example, the heat transfer fluid is a different gas than that used in electrolysis when the cell stack or cell is in operation. This gas is, for example, a neutral gas that flows to the radiating plate 206 that recovers any excess heat generated.

放射プレート206の間には電気絶縁体がある。例えば、電気絶縁体は、例えばマイカシールを用いてチューブ222及び供給コネクタ218の接合部に形成される。   There is an electrical insulator between the radiating plates 206. For example, the electrical insulator is formed at the junction between the tube 222 and the supply connector 218 using, for example, a mica seal.

図4A及び図4Bにおいて、熱伝達流路216が直列に接続される図3A及び図3Bの系の変形例が見られ得る。熱伝達流体供給パイプ222は、スタックの第1のプレート206.1の供給コネクタ218.1を供給し、第1のプレート206.1の排出コネクタ(見えない)は、続くプレート206.2の供給コネクタ218.2などに接続され、熱伝達流体が全てのプレートを通って流れる。   4A and 4B, a variation of the system of FIGS. 3A and 3B where the heat transfer channel 216 is connected in series can be seen. The heat transfer fluid supply pipe 222 supplies the supply connector 218.1 of the first plate 206.1 of the stack, and the discharge connector (not visible) of the first plate 206.1 follows the supply of the plate 206.2. Connected to connector 218.2, etc., heat transfer fluid flows through all plates.

示された例において、プレート206は、相互接続部材に取って代わるためのものである;それらはまた、それらの中央部に酸化ガス及び燃料ガスを供給するための流路226を有する。流路226はそれ自体、プレートの端部に位置するブランチコネクタ230及びプレート206内部に形成される流路を介して供給される。   In the example shown, the plates 206 are for replacing the interconnect members; they also have a flow path 226 for supplying oxidizing gas and fuel gas at their center. The channel 226 itself is supplied via a branch connector 230 located at the end of the plate and a channel formed inside the plate 206.

1.5ボルト/セルの印加電圧、77.44cmの活性面積を有するセル、5つのセル毎に位置する放射プレート206、840℃を超えないスタック温度、2l/minの流速において800℃で導入される流れ、及び1mmの相互接続部材の厚さを有する系において、放射プレート206の厚さが約42mmであると決定された。スタックにおいて放散する熱の分配は、以下のようなものである:熱の約70.5%が放射損失によって排出され、熱の27%がカソード及びアノード流体によって排出され、2.5%が熱伝達流体によって排出される。従って、対流冷却は、放射伝達による追加的な冷却によってスタックの熱管理が改善されることを可能にする。例えば流体の流速を増加し、又はより効率的な熱伝達流体を選択することによって、対流によって排出された熱の量は増加し得る。 1.5 V / cell applied voltage, cell with an active area of 77.44 cm 2 , radiation plate 206 located every 5 cells, stack temperature not exceeding 840 ° C., introduced at 800 ° C. at a flow rate of 2 l / min In a system having a flow and an interconnect member thickness of 1 mm, the thickness of the radiating plate 206 was determined to be about 42 mm. The distribution of heat dissipated in the stack is as follows: about 70.5% of the heat is exhausted by radiation loss, 27% of the heat is exhausted by the cathode and anode fluid, and 2.5% is heat. It is discharged by the transmission fluid. Thus, convective cooling allows the stack thermal management to be improved by additional cooling by radiative transfer. For example, by increasing the fluid flow rate or selecting a more efficient heat transfer fluid, the amount of heat dissipated by convection can be increased.

対流冷却手段がアノード及びカソードの電解ガスを使用する、図3Aから図4Bのプレートの変形実施形態が図5に見られる。   An alternate embodiment of the plate of FIGS. 3A-4B is seen in FIG. 5 where the convective cooling means uses anode and cathode electrolytic gases.

図5において、放射プレート206.1’、206.2’、206.3’及びセル2のスタックが示される。放射プレート206.1’、206.2’、206.3’は、図3Aから図4Bの放射プレート206と同様であり、パイプ222は、例において直列に示される放射プレート206.1’、206.2’、206.3’に電解ガスを供給する。プレート206.3’の排出口において、集められた電解ガスは、第1のプレート206.1の側方ブランチ接続を介してパイプ234によってセル2に注入される。矢印は、ガスの流れを示す。電解ガスは、例えば蒸気である。2つの放射プレートを接続する流体接続は、例えばマイカシールを用いて実現される電気絶縁体を有する。   In FIG. 5, a stack of radiating plates 206.1 ', 206.2', 206.3 'and cell 2 is shown. The radiating plates 206.1 ′, 206.2 ′, 206.3 ′ are similar to the radiating plates 206 of FIGS. 3A-4B, and the pipe 222 is radiating plates 206.1 ′, 206 shown in series in the example. .2 ′, 206.3 ′ are supplied with electrolytic gas. At the outlet of the plate 206.3 ', the collected electrolytic gas is injected into the cell 2 by the pipe 234 via the lateral branch connection of the first plate 206.1. Arrows indicate gas flow. The electrolytic gas is, for example, steam. The fluid connection connecting the two radiating plates has an electrical insulator realized, for example, using a mica seal.

この配置のために、スタックは、対流によって冷却され、セルに近接して生じた熱を直接的に使用して同時に電解ガスが予熱される。   Due to this arrangement, the stack is cooled by convection and the electrolytic gas is preheated at the same time using directly the heat generated close to the cell.

他の変形例によれば、対流交換を容易にするために、ガスがその被覆に位置するスタックの周囲にも流れるようにすることが考えられる。   According to another variant, it is conceivable for the gas to also flow around the stack located in its coating in order to facilitate convective exchange.

図6A及び図6Bに示される他の変形例において、メタンの改質モードで動作するセルスタックSOFCの場合、放射プレート306の流路316は、例えばRu−、Rh−(又は他の)ドーピングされたセリアタイプの水蒸気改質触媒336で覆われる。この手段を用いて、中性ガスは、それが燃料電池のセルに導入される前に予備改質される。この反応は吸熱であるので、それは、対流によってスタックを冷却する。   In another variation shown in FIGS. 6A and 6B, in the case of a cell stack SOFC operating in the reforming mode of methane, the flow path 316 of the radiating plate 306 is doped, for example, Ru−, Rh− (or other). The ceria type steam reforming catalyst 336 is covered. With this measure, the neutral gas is pre-reformed before it is introduced into the fuel cell. Since this reaction is endothermic, it cools the stack by convection.

動作中に、電気化学系は、電圧及び熱サイクルに晒され得る。これらの転移は、セルの機械的な完全性にとって有害な温度勾配を引き起こす。さらに、一時的には850℃を超える非常に高い温度は、スタックの金属材料を損傷し得る。   During operation, the electrochemical system can be exposed to voltage and thermal cycles. These transitions cause temperature gradients that are detrimental to the mechanical integrity of the cell. Furthermore, very high temperatures, temporarily above 850 ° C., can damage the metal material of the stack.

図7A及び図7Bに示される例の放射プレートの実施形態は、有利には、850℃を超える温度である、スタック内の温度の急激な変化が制限されることを可能にする。   The example radiating plate embodiment shown in FIGS. 7A and 7B advantageously allows abrupt changes in temperature in the stack, which is a temperature above 850 ° C., to be limited.

第2の実施形態のように、放射プレート406は、互いに平行な、プレート406の2つの平行な端部の間に延びる流路416を含む流路416を含む。しかしながら、これらの流路は、電解及び高温燃料電池スタックの動作温度範囲内である800℃から850℃の間で相が変化する相変化材料438を含む。相変化材料438を変態するために必要な潜熱は、電解によって生成された熱によって供給される;従って、この熱は、相変化材料438によって吸収され、スタックに危険な閾値を超える温度上昇を制限する。   As in the second embodiment, the radiating plate 406 includes a channel 416 that includes a channel 416 that is parallel to each other and that extends between two parallel ends of the plate 406. However, these flow paths include a phase change material 438 whose phase changes between 800 ° C. and 850 ° C., which is within the operating temperature range of the electrolysis and high temperature fuel cell stack. The latent heat required to transform the phase change material 438 is supplied by the heat generated by electrolysis; therefore, this heat is absorbed by the phase change material 438 and limits temperature rise above a dangerous threshold for the stack. To do.

相変化材料438は、一定の温度で溶解し、スタックがこの相変化中に一定温度に維持されることを可能にするような共晶混合物であり得る。例えば、800℃に近い固相線温度及び850℃に近い液相温度を有する合金であり得る。この共晶混合物材料は、例えば、835℃の融点を有するAg(96.9%)−Si合金であり得、又は、それは、802℃の融点を有するCu−Si(85%)、又は、848℃の融点を有するLiFであり得、より低い温度の用途においては、780℃の融点を有するAg−Cu(28%)であり得る。Ag58−Cu32−Pd10(853℃〜824℃)、Au60−Cu20−Ag20(845℃〜835℃)、又はより低温においてはAg95−Al5(830℃〜780℃)又はAg68−Cu27−Pd5(814℃〜794℃)などの他の合金が予想される。固相線温度又は液相温度はそれぞれ、ブラケット間に与えられる。   The phase change material 438 can be a eutectic mixture that melts at a constant temperature and allows the stack to be maintained at a constant temperature during this phase change. For example, it may be an alloy having a solidus temperature close to 800 ° C and a liquidus temperature close to 850 ° C. This eutectic mixture material can be, for example, an Ag (96.9%)-Si alloy having a melting point of 835 ° C, or it can be Cu-Si (85%) having a melting point of 802 ° C, or 848 It can be LiF with a melting point of ° C., and in lower temperature applications it can be Ag—Cu (28%) with a melting point of 780 ° C. Ag58-Cu32-Pd10 (853 ° C to 824 ° C), Au60-Cu20-Ag20 (845 ° C to 835 ° C), or Ag95-Al5 (830 ° C to 780 ° C) or Ag68-Cu27-Pd5 (814 ° C) at lower temperatures Other alloys such as ~ 794 ° C) are expected. The solidus temperature or the liquidus temperature is each given between the brackets.

相変化材料438はまた、よりコストが掛からない溶融塩であり得る。溶融塩が使用される場合、放射プレートは、例えば窒化ホウ素による腐食から保護されなければならない。例えば、溶融塩として、800℃の融点を有するNaCl又は850℃の融点を有するNaCoが使用され得る。本発明の5つ毎のモジュールによる放射プレートの相変化材料としてNaClを用いることによって、800℃の温度は、直径10mmで長さが200mmの10の流路を充填することによって、30分間、1.5Vで保証され得る。計算のために、排出される100Wの出力、472kJ/kgのNaClの潜熱、及び2160kg/mの密度が考えられる。 Phase change material 438 may also be a less costly molten salt. If molten salt is used, the radiating plate must be protected from corrosion, for example by boron nitride. For example, NaCl having a melting point of 800 ° C. or Na 2 Co 3 having a melting point of 850 ° C. can be used as the molten salt. By using NaCl as the phase change material of the radiating plate according to every fifth module of the present invention, a temperature of 800 ° C. is achieved for 30 minutes by filling 10 channels with a diameter of 10 mm and a length of 200 mm. Can be guaranteed at .5V. For the calculation, an output of 100 W discharged, a latent heat of NaCl of 472 kJ / kg, and a density of 2160 kg / m 3 are considered.

相変化材料の使用のために、上限閾値及び下限閾値は、過渡変化と呼ばれる大きな一時的な温度変化を制限するために、スタック温度に導入され得る。   Due to the use of phase change materials, upper and lower thresholds can be introduced into the stack temperature to limit large temporary temperature changes called transient changes.

電気の費用に従った水素発生の最適化を求めて、電気代が低い場合に高電位(1.5V)において動作し、この合金を溶融するために放出される熱を使用するために、このシステムに関して決定することができる。次いで、電気代が高い場合、電解槽は、吸熱モードにおいて1.3Vのより低い電圧で動作する。相変化材料によって蓄えられる熱は、次いでそれが固化するとスタックに戻り、電界の効率を増加する利用可能な熱源をなす。   In search of optimization of hydrogen generation according to the cost of electricity, this electricity is used to operate at a high potential (1.5V) when the electricity bill is low and to use the heat released to melt the alloy. Decisions can be made regarding the system. Then, if the electricity bill is high, the electrolytic cell operates at a lower voltage of 1.3V in the endothermic mode. The heat stored by the phase change material then returns to the stack as it solidifies, providing an available heat source that increases the efficiency of the electric field.

図3Aから図7Bにおいて示された例において、流路は、線形であって互いに平行であるが、この形状は、限定的なものではなく、数層に分布され及び/又はプレートに不均一な方式で分布される屈曲した流路及び/又はあらゆる他の形状の流路は、本発明の範囲を逸脱するものではない。   In the example shown in FIGS. 3A-7B, the channels are linear and parallel to each other, but this shape is not limiting and is distributed in several layers and / or non-uniform on the plate Bent channels and / or any other shape channels distributed in a manner do not depart from the scope of the present invention.

流路を有する放射プレートは、熱間等静圧圧縮成形(HIP)工程を用いて粉末冶金によって製造され得る。   A radiating plate having a flow path can be manufactured by powder metallurgy using a hot isostatic pressing (HIP) process.

この場合、分配流路を形成するアセンブリは、パウダー形態で予め導入されるプレートを形成する材料によって囲われる湾曲した金属チューブによって得られる。このアセンブリは、密度が高い部分を得るために高温で加圧され、その外面は、最終的な寸法を得るために機械加工によって良好に形成され得る。変形例として、平行な第1の一連の穴あけを行い、続いて第1の一連の穴あけに垂直な第2の一連の2つの穴あけを行うことによって流路を形成することが決定され、第1の一連の穴あけが互いに連通するようなものである。次いで、例えば穴あけの寸法を有する円筒形状のプラグを溶接することによって排出領域が閉じられる。この変形例は、HIP法より費用面で有利である。   In this case, the assembly forming the distribution channel is obtained by a curved metal tube surrounded by the material forming the plate pre-introduced in powder form. This assembly is pressed at a high temperature to obtain a dense part and its outer surface can be well formed by machining to obtain the final dimensions. As a variant, it is decided to form the flow path by performing a first series of drillings in parallel, followed by a second series of two drillings perpendicular to the first series of drillings, It is like a series of drilling holes communicating with each other. The discharge area is then closed, for example by welding a cylindrical plug having the dimensions of the hole. This modification is more advantageous in cost than the HIP method.

示されていない他の実施形態によれば、対流による冷却は、放射伝達による冷却と組み合わされる。例えば、スタックは、熱導電性被覆にハウジングされ、放射プレートは、セル及び相互接続部材の横断面より大きな横断面を有し、それらは被覆に接触するようなものである;それらは、被覆に熱的に接続される。スタックに発生する一部の熱は、放射プレート及び被覆を介して対流によって排出され、その温度が制御され得る。この実施形態において、電気絶縁体は、放射プレート間の短絡を防止するために放射プレート及び被覆の間に提供される。   According to other embodiments not shown, cooling by convection is combined with cooling by radiative transfer. For example, the stack is housed in a thermally conductive coating, and the radiating plate has a cross-section that is larger than the cross-section of the cells and interconnect members, such that they contact the coating; Thermally connected. Some of the heat generated in the stack is exhausted by convection through the radiating plate and coating, and its temperature can be controlled. In this embodiment, an electrical insulator is provided between the radiating plate and the coating to prevent a short circuit between the radiating plates.

以上に記載された変形実施形態の組合せは、本発明の範囲を逸脱するものではない。例えば、対流による追加の冷却を提供する中性ガスが流れる流路であって、対流による追加的な冷却を提供する電解ガスが加熱され、相変化材料を含む流路を含む放射プレートは、本発明の範囲から逸脱するものではない。あらゆる他の組合せが考えられる。   Combinations of the modified embodiments described above do not depart from the scope of the present invention. For example, a radiating plate that includes a flow path through which a neutral gas that provides additional cooling by convection flows and an electrolytic gas that provides additional cooling by convection is heated and that includes a phase change material is It does not depart from the scope of the invention. Any other combination is possible.

スタックの単純化された熱管理を可能にすることに加えて、放射プレートはまた、この部分のセルが故障した場合にスタックの残りの部分が隔離されることを可能にすることができる。これを達成するために、放射プレートは、個々の電気接続部材に適合され得る。この部分の各端部に位置する2つのプレートを接続することによってブリッジを設けることがいつでも可能になる。この単純な動作は、セルの1つが損傷されるスタックのこの領域が、電気的に隔離されることを可能にする。それで、このスタックは、電流が損傷したセルを横切ることを避けながら動作し続けることができる。   In addition to enabling simplified thermal management of the stack, the radiating plate can also allow the rest of the stack to be isolated if this part of the cell fails. To achieve this, the radiating plate can be adapted to the individual electrical connection members. It is always possible to provide a bridge by connecting two plates located at each end of this part. This simple operation allows this region of the stack where one of the cells is damaged to be electrically isolated. The stack can then continue to operate while avoiding current crossing the damaged cell.

最後に、相変化材料がない場合でさえ、放射プレートは、スタックに特定の熱慣性を引き起こし、これによって高い過度の温度勾配の出現を制限する。   Finally, even in the absence of phase change material, the radiating plate causes a specific thermal inertia in the stack, thereby limiting the appearance of high excessive temperature gradients.

高温電解槽の場合、本発明は、電解槽が、大きな熱に晒されることから回避することを可能にし、それが高い蒸気変換速度で動作することを可能にする。   In the case of a high temperature electrolytic cell, the present invention allows the electrolytic cell to be avoided from being exposed to large heat and allows it to operate at high vapor conversion rates.

本発明を用いて、高温電解槽及び燃料電池スタックの熱特性は、効率的に且つ相対的に単純に管理され得る。使用される手段、すなわち放射プレートはまた、高い動作安全性を有し、実施され得る冷却モードに関して大きな柔軟性を有する。同様に、これらのプレートは、吸熱動作モードで要求される熱を提供するために使用され得る。   With the present invention, the thermal properties of high temperature electrolysers and fuel cell stacks can be managed efficiently and relatively simply. The means used, i.e. the radiating plate, also has a high operational safety and a great flexibility with respect to the cooling modes that can be implemented. Similarly, these plates can be used to provide the heat required in the endothermic mode of operation.

2 セル
4 相互接続部材
6 放射プレート
10 長手方向の面
11 周辺頭部
106 放射プレート
206 放射プレート
216 流路
306 放射プレート
406 放射プレート
416 キャビティ
438 相変化材料
2 cells 4 interconnecting members 6 radiation plate 10 longitudinal surface 11 peripheral head 106 radiation plate 206 radiation plate 216 flow path 306 radiation plate 406 radiation plate 416 cavity 438 phase change material

Claims (15)

交互のセラミックユニット(2)及び相互接続部材(4)を有する長手方向の軸(X)のスタック、並びに前記スタックに含まれる熱管理手段を含む、高温において動作する、スタック構造の電解槽又は燃料電池である電気化学系であって、
前記熱管理手段が、前記スタックの外側との間で放射によって熱交換が行われる表面を有する少なくとも1つの側方端部を有する、“放射プレート”と称される、前記スタックに位置するプレート(6、106、206、306)を含み、前記表面が少なくとも部分的に構造化され、前記放射プレートが、前記相互接続部材のいくつかに取って代わり、前記他の相互接続部材が、前記放射プレートから分離されることを特徴とする電気化学系。
Stacked cell or fuel operating at high temperatures, comprising a stack of longitudinal axes (X) having alternating ceramic units (2) and interconnecting members (4), and thermal management means contained in said stack An electrochemical system that is a battery ,
A plate located in the stack, referred to as a “radiating plate”, wherein the thermal management means has at least one lateral end with a surface where heat is exchanged by radiation with the outside of the stack ( 6, 106, 206, 306), wherein the surface is at least partially structured, the radiating plate replaces some of the interconnect members, and the other interconnect member is the radiating plate Electrochemical system characterized by being separated from
前記放射プレート(6、106、206、306)が前記相互接続部材より厚く、前記相互接続部材(4)が0.1mmから15mmの厚さであり、少なくとも1つの放射プレート(6、106、206、306)が5mmから50mmの厚さである、請求項1に記載の電気化学系。   The radiating plate (6, 106, 206, 306) is thicker than the interconnect member, the interconnect member (4) is 0.1 mm to 15 mm thick, and at least one radiating plate (6, 106, 206). 306) is a thickness of 5 mm to 50 mm. 前記放射プレート(106)が、前記セル(2)の横断面及び前記相互接続部材(4)の横断面より大きな横断面を有し、それが、前記スタックから突出する周辺頭部(11)を有するようになる、請求項1又は2に記載の電気化学系。   The radiating plate (106) has a larger cross-section than the cross-section of the cell (2) and the cross-section of the interconnect member (4), which has a peripheral head (11) protruding from the stack. The electrochemical system according to claim 1 or 2, wherein the electrochemical system has a structure. 前記周辺頭部(11)が、その表面が少なくとも部分的に構造化される側方端部、及び、少なくとも1つのその長手方向の面が部分的に構造化される2つの長手方向の面(10)を含む、請求項3に記載の電気化学系。   Said peripheral head (11) has a lateral end whose surface is at least partially structured and two longitudinal surfaces whose at least one longitudinal surface is partially structured ( The electrochemical system according to claim 3, comprising 10). 前記側方端部の表面及び/又は少なくとも1つの長手方向の面が、PNiO4+δで被覆される、請求項4に記載の電気化学系。 The electrochemical system according to claim 4, wherein the surface of the lateral end and / or at least one longitudinal surface is coated with P r 2 NiO 4 + δ . 前記放射プレート(6、106、206、306)が、前記スタックに周期的に分布され、基本ユニットが、セラミックセル(2)及び2つの相互接続部材(4)に形成される、請求項1から5の何れか一項に記載の電気化学系。 The radiation plate (6,106,206,306) is periodically distributed to the stack, basic unit is formed in the ceramic cell (2) and two interconnected members (4), according to claim 1 The electrochemical system according to any one of 1 to 5. 前記側方端部が起伏を有する、請求項1から6の何れか一項に記載の電気化学系。   The electrochemical system according to any one of claims 1 to 6, wherein the side end portion has undulations. 前記周辺頭部が、前記スタック内に位置する前記放射プレートの一部より厚い、請求項3に記載の電気化学系。   The electrochemical system of claim 3, wherein the peripheral head is thicker than a portion of the radiating plate located in the stack. 前記放射プレート(206)が、前記放射プレート(206)内に形成され、その平面にほぼ延長する流路によって形成される対流による熱伝達手段を含み、流体が前記流路に流れる、請求項1から8の何れか一項に記載の電気化学系。   The radiating plate (206) includes convective heat transfer means formed in the radiating plate (206) and formed by a flow path extending generally in a plane thereof, wherein fluid flows into the flow path. The electrochemical system according to any one of 1 to 8. 前記流体が、前記電気化学系の電気分解反応に使用される流体と異なる流体である、請求項9に記載の電気化学系。   The electrochemical system according to claim 9, wherein the fluid is a fluid different from a fluid used for an electrolysis reaction of the electrochemical system. 前記流体が、少なくとも前記電気化学系の前記電気分解反応に使用される電解ガスであり、前記系が、電解ガス供給回路に前記流路(216)を接続する手段を含む、請求項9に記載の電気化学系。   10. The fluid of claim 9, wherein the fluid is an electrolytic gas used for at least the electrolysis reaction of the electrochemical system, the system including means for connecting the flow path (216) to an electrolytic gas supply circuit. Electrochemical system. 前記放射プレート(406)が、前記系の所望の動作温度で相変化する材料(438)を含む少なくとも1つのキャビティ(416)を含む、請求項1から11の何れか一項に記載の電気化学系。   12. Electrochemistry according to any one of the preceding claims, wherein the radiating plate (406) comprises at least one cavity (416) comprising a material (438) that changes phase at a desired operating temperature of the system. system. 前記相変化材料(438)が、780℃から835℃の固相線温度及び814℃から853℃の液相温度を有する共晶材料である、請求項12に記載の電気化学系。 The electrochemical system of claim 12, wherein the phase change material (438) is a eutectic material having a solidus temperature of 780C to 835C and a liquidus temperature of 814C to 853C. 前記相変化材料が、溶融塩である、請求項12に記載の電気化学系。 The electrochemical system of claim 12, wherein the phase change material is a molten salt . 少なくとも2つの放射プレートが、前記2つの放射プレート間に位置するセルを電気的に絶縁することができるような電気接続部を含む、請求項1から14の何れか一項に記載の電気化学系。   15. Electrochemical system according to any one of the preceding claims, wherein the at least two radiating plates comprise electrical connections such that cells located between the two radiating plates can be electrically isolated. .
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